離開植物，光合作用可行嗎？

漫步在綠樹成蔭的小路上，當清新和濕潤的空氣涌入鼻腔，是否會讓你有身心舒暢的感受？植物通過蒸騰作用和光合作用，散發大量水分到空氣中，同時釋放氧氣，這是人類生存的依賴，支撐著我們的生命活動。對于生活在地球上的我們來說，這種治愈和美好的享受是免費的。而地外空間沒有這個條件，宇航員要依靠電解水技術來獲取氧氣，這種方式的能耗和成本較高。

近日，在中國空間站夢天實驗艙中，地外人工光合作用技術試驗順利開展，實現了高效二氧化碳轉換和氧氣再生新技術的國際首次在軌驗證。我們忍不住好奇，地外空間沒有綠色植物，人工進行光合作用是怎么做到的？這項技術會給人類帶來哪些驚喜？跟著中國科學技術大學和安徽師范大學教授熊宇杰一起探索它的奧秘。

我們為什么需要人工光合作用技術？

熊宇杰：當下，地球資源日益緊張，尋找高效、可持續的能源解決方案對人類的生存發展尤為重要。在浩瀚宇宙中，太陽如一位慷慨的贈予者為我們提供能量——太陽光。科學家們便孜孜不倦地探索，研究如何充分利用這份饋贈解鎖地球能源，解決環境危機。

大自然中的光合作用是個神奇的過程，綠色植物、藻類和一些細菌利用體內的葉綠素吸收光能，再在體內系列酶的作用下，將水和二氧化碳轉化合成有機物并釋放氧氣，供人類和動植物呼吸。這是地球生物賴以生存的基礎，更是維持地球生態平衡的關鍵。于是，科學家模仿植物光合作用的過程，發明了這項前沿技術。

人工光合作用是怎么一回事？人在其中發揮什么作用？

熊宇杰：科學家用人工設計的材料和系統實現了與植物光合作用同樣的轉化，即利用光能驅動化學反應，把水和二氧化碳轉化合成供人類使用的清潔燃料（如氫氣、甲醇）和其他有價值的化學品 。

這項技術的核心在于人工合成先進光催化劑材料，這些材料能像植物中的“葉綠素”一樣，吸收太陽光的能量，在光作用下將水分子和二氧化碳分子進行轉化。催化劑材料的選擇與優化十分重要，科學家要尋找能高效吸收光能，且能在溫和條件下持續催化反應的材料。此外，人工光合成還要設計和構建一套確保反應高效性和連續性的反應系統。我們可以把這套系統看作一個神奇“工廠”，陽光是其能量來源，水和二氧化碳都是原料，催化劑就像工人，將原料轉化為有價值的化學品。

人工光合作用的實現面臨許多科學和技術難題，催化劑效率和持久性是首要問題。目前已有多種材料被用于人工光合作用的研究，但它們的催化效率和持久性還有待提高，科學家正積極研發新型催化劑材料并探索其優化技術。為實現該技術的大規模應用，科學家還需要研究新型光反應器結構，設計更簡潔和高效的反應系統，不斷降低其成本。

為什么要在太空完成人工光合作用試驗？它是怎樣做到的？

熊宇杰：人類想在月球或火星建立基地，就需要實現物資的自給自足。近年來，科學家在火星和月球都發現了水的蹤跡，火星大氣中存在豐富的二氧化碳，利用這些資源，再結合人工光合作用技術，人類或許能擺脫對地球資源的依賴，在月球和火星上以低成本實現長期居住的目標。

在太空進行人工光合作用試驗需要我們就地取材，充分利用原位資源。在太空環境中，陽光是唯一的可再生能源來源，宇航員以陽光、太空艙內的二氧化碳和水蒸氣為原料，通過人工光合作用裝置生產氧氣和燃料。我們可以想象一下，在太空基地上，人工光合作用裝置就像一座綠色的“陽光工廠”，源源不斷地為人類提供生命所需的氧氣、能源和物質資源。

相比當前國際空間站依靠電解水技術提供氧氣，人工光合作用技術通過低能耗、模塊化的方式實現了氧氣與燃料的共同生成，它將開啟人類星際生存的新篇章 。

人工光合作用還有哪些應用前景？會給人類生活帶來怎樣的改變？

熊宇杰：人工光合作用是一項有潛力、有廣闊應用前景的技術，正逐步從實驗室走向實際應用。除了方便人類進行地外探索、實現太空居住和星際旅行，在現代化工廠里，這項技術也能幫助人類利用海水、二氧化碳和太陽能生產有用的化學品或燃料，實現碳的循環利用，這能減少溫室氣體的排放，為工業生產提供原料來源。

總體來說，人工光合作用能讓人類減少對化石燃料的依賴，達到降低碳排放、保護環境的目的 ，是實現“碳中和”的重要途徑。長遠來看，它有助于解決地球的能源危機，推動人類社會可持續發展。